Rôle et mécanismes des G-quadruplexes ARN dans la synthèse protéique et les fonctions mitochondriales

Role and mechanisms of RNA G-quadruplexes in mitochondrial protein synthesis and function

• Auteur / Autrice : Leila Dumas
• Direction : Stefania Millevoi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique moléculaire
• Date : Soutenance le 13/07/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Estelle Espinos-Parrou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefania Millevoi, Estelle Espinos-Parrou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Alexandre, Emiliano Ricci, Marc Blondel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Synthèse protéique

G-quadruplexes

Mitochondries

Mots clés libres

Traduction

G-quadruplexe

Mitochondrie

Protéine de liaison à l'ARN

Cancer

Translation

G-quadruplex

Mitochondria

RNA binding protein

Cancer

Résumé

Contrairement à ce qui a précédemment été admis, les cellules cancéreuses reposent sur la mitochondrie comme source d’énergie et pour la production de macromolécules. La régulation de la synthèse des protéines mitochondriales se trouve au cœur de la fonction mitochondriale. Elle dépend principalement de la traduction cytosolique des ARNm codés par le noyau dont les protéines sont importées dans la mitochondrie. Malgré la prise de conscience croissante que la synthèse des protéines mitochondriales contribue à l'apparition et à la progression du cancer, offrant ainsi de nouvelles opportunités de traitements, les mécanismes moléculaires sous-jacents restent peu explorés. Mon projet de thèse visait à mieux caractériser les déterminants liant la synthèse protéique et la fonction mitochondriale en me concentrant sur les G-quadruplexes ARN (RG4), des structures d'ARN dynamiques qui ont gagné de l’importance dans la biologie de l’ARN et les maladies associées. Nos travaux ont contribué au concept dans lequel les RG4 et leurs partenaires protéiques (i.e. les protéines de liaison à l’ARN) jouent un rôle clé dans la régulation traductionnelle des ARNm codant pour des facteurs essentiels au développement tumoral et à la résistance aux traitements. Sur la base d’études récentes soutenant l’implication des RG4 dans l'expression des gènes mitochondriaux, nous avons émis l'hypothèse que ces structures contrôlent l'expression des ARNm mitochondriaux, participant ainsi à la reprogrammation métabolique mitochondriale nécessaire à la croissance néoplasique. Nous avons montré que les RG4 sont localisés à la mitochondrie et qu’ils régulent les fonctions mitochondriales en modulant la traduction cytosolique d’ARNm mitochondriaux codés par le noyau. Nous avons identifié la protéine de liaison à l’ARN hnRNP U comme nouveau régulateur de la traduction d’ARNm mitochondriaux qui contiennent des RG4. Nos résultats soutiennent un modèle dans lequel la stabilisation des RG4, avec des ligands ou par la diminution de l’expression de hnRNP U, modifie la synthèse des protéines mitochondriales codées par le noyau, ce qui entraîne une diminution des fonctions mitochondriales affectant alors le métabolisme énergétique et, par conséquent, la prolifération des cellules cancéreuses. Ces données pourraient ouvrir la voie à de futures stratégies pour affecter les fonctions mitochondriales liées à la croissance tumorale en ciblant la traduction mitochondriale par la modulation des interactions RG4-protéine ou la structuration des RG4.)

Contrary to the conventional wisdom, cancer cells rely on the mitochondria for their bioenergetic machinery and macromolecule synthesis. Central to mitochondrial function is the regulation of the synthesis of mitochondrial proteins, which depends primarily on the cytosolic translation of nuclear-encoded mitochondrial mRNAs whose protein products are imported into mitochondria. Despite the growing awareness that mitochondrial protein synthesis contributes to the onset and progression of cancer and offers new opportunities for cancer therapy, the underlying molecular mechanisms remain underexplored. My PhD thesis project aimed at better characterizing the determinants linking protein synthesis and mitochondrial function by focusing on RNA G-quadruplexes (RG4s), dynamic RNA structures that have gained growing importance in RNA biology and disease. Our work contributed to the notion that RG4s together with their protein partners (i.e. RNA-binding proteins) play a key role in translational regulation of mRNA encoding factors critical for tumor development and treatment resistance. Based on recent evidence supporting a role for RG4s in mitochondrial gene expression, we hypothesized that these structures drive the expression of mitochondrial mRNAs, thus controlling the mitochondrial metabolic reprogramming required for neoplastic growth. Here, we showed that RG4s are localized to mitochondria and control mitochondrial functions by modulating the cytosolic mRNA translation of nuclear-encoded mitochondrial proteins. We identified the RNA-binding protein hnRNP U as new regulator of mitochondrial translation of RG4-containing mRNAs. Our results support a model whereby RG4 stabilization, induced by small molecule ligands or by depleting hnRNP U, alters nuclear-encoded mitochondrial mRNA protein synthesis, resulting in a decrease in mitochondrial functions affecting energy metabolism and consequently cancer cell proliferation. These data may pave the way for future strategies to rewire mitochondrial functions related to tumor growth by targeting mitochondrial translation through modulation of RG4-protein interactions or RG4 structuration.